气体热力学性质

第二章 气体热力学性质第一节 理想气体的性质一、理想气体：1、假设：气体分子是弹性的、不占据体积的特点；气体分子间没有相互作用力。对于气体分子的体积相对气体比容很小，分子间作用力相对于气体压力也很小时，可 作为理想气体处理。2、状态方程理想气体在任一平衡状态时的压力P、温度T、比容v之间的关系应满足状态方程， 即克拉佩龙方程 Pv= RTmkg 质量气体为：Pv=mRT=mR0 TR 气体常数，反映气体特征的物理量，和气体所处状态无关；n 物质的量（千克数或摩尔数）；R 通用气体常数，与气体状态、其他性质无关的普适恒量；0R =卩R 二 831415J / Kmol K0C ,C 分别表示定压比容及定容比容，对于理想气体，他们仅是温度的单值函VP数，C CVP其 C C = RVP比值CV / CP - k （绝热指数）标准状态时（压力未101.325Kpa, 0C）单原子气体k=1.66-1.67双原子气体k=1.40-1.41多原子气体k=1.10-1.3Rk此外k = C / C 1, C =, C = RV P V R 一 1 P k 一 1、过程方程及过程功 气体在压缩和膨胀过程中，状态的变化应符合动量守恒及转换定律，即内能、外功、热 交换三者间应满足dq 二 dU + dW,其中 dU 二 C dT, dW = PdVV压缩过程中的能量关系1、等温过程数字式：T = const即dT = 0 过程方程式：PV二constV VP过程功：W = RTIn 2 = PV In 2 = PV In 1V 1 1 V1 1 P112内能变化：U -U = 021热交换：q = w等温过程的热交换q和过程功w值相等，且正负号相同，即气体加热进行等温膨胀时，加入的热量全部用于对外膨胀做功，气体被压缩时外界对气体所作的功全部转换 为热量的形式排出。2、绝热过程数字式：q = 0, dq = 0过程方程式：PVK = constk-1占 T11 -2R( P k过程功：W 二T 1 - k 二R -1 1 IP1 J内能变化：U -U = W21功质在绝热过程中与外界没有热量交换，过程功只能来自工质本身的能量，绝热膨胀 机等于内能降，绝热压缩时，工质消耗的压缩功等于内能的增加量。3、多变过程 状态变化过程中，状态参数都由显著的变化，存在热交换时他们的过程特征满足过程 方程过程功： W-T 1 -n -1 1(PIP1丿n-1n =k -1-C(T - T )n-1 V 12内能变化：AU二C (T -T)V 21n-k热量交换：q 二 AU 二 W 二一C (T - T )n -1 V 12压缩机级的工作工程在等温与绝热之间的均是多变过程在等温与绝热之外的均是多变过程第二节级的理论循环1)2)3)压缩机的级：指压缩机中进行连续压缩的单位； 循环：压缩机曲轴旋转一周，在气缸容积中所进行的各个过程的总和； 级的理论循环不是指在以下假设条加下的循环： 气缸没有余隙容积，被压缩的气体能全部排出气缸； 进、排气系统没有阻力，阀室容积无限大，并且是绝热的，因此，进排气过程没有压 力损失，没有压力脉动，没有热交换(注：没有热交换温度不变化)； 气缸压缩容积绝对严密，没有气体泄露； 气体压缩过程中不论由无热交换，其过程指数未定植。、级的理论循环包括三个过程外止点内止点V活塞自左向右移动时，气体的压力P1进入气缸41称为吸气过程，然后，活塞自 右向左移动，气体被压缩， 12 为压缩过程。等气体压力达到排气压力后，气体被排出， 23 称为排气过程。这样就完成了一个理论循环。其中吸气和排气过程是机械过程，压缩过程时热力过程，所以压缩机级的理论循环 就是机械过程和热力过程的混合过程，过程线4-1-2-3-4 构成理论循环指示图。、级的理论进气量1、活塞由外止点到内止点的一个过程，所扫过的气缸容积V被称为行程容积：nV 二 A SnpA 活塞截面积；pS 活塞行程：指外止点到内止点的距离；2、理论进气量在理论循环中，在进气压力P，进气温度T的状态下，活塞在一个行程中所吸进的11气体容积V被定义为级的理论进气量：1V = A S V = V1 p 1 h 级的理论进气量等于该级的行程容积，它是压缩机气缸所能吸进的最大进气体量。三、级的理论循环指示功1、指示功压缩机完成一个理论循环所消耗的功是进气过程功，压缩过程功，排气 过程功之和，可用级的理论循环，指示图面积 4-1-2-3-4 表示，是压缩机性能好坏 的主要指标。2、在压缩机中规定，活塞对气体作功为正值，气体对活塞作功为负值。进气过程功W :负值；S压缩过程功W : 正值；p排气过程功W :正值；d循环功：W = W + W + WiS P d四、等温压缩力理论循环指示功W ；is绝热压缩力理论循环指示功W ；ad多变压缩力理论循环指示功W ；W W P + P阀背3、影响实际循环指示图的诸多因素1、余隙容积的影响余隙容积V二V + V + V + V0 01 02 03 04其中：V01表示活塞处于止点位置时活塞顶端与气缸盖（气缸头）之间有一定的间 隙防止活塞碰及缸盖，V02表示第一道活塞环前活塞外圆与气缸内圆表面间保持定的径向间隙空间以防止活塞与气缸内径表面接触而产生磨损；V03表示气缸气 阀的通道容积；V表示气阀本身所具有的容积。04由于余隙容积的存在，使循环多了个膨胀过程，由于余隙容积中高压气体的膨 胀，使得进入气缸的新鲜气体量减少，且余隙容积越大，膨胀过程越大，进入气缸 的新鲜气体越少。2、压力损失的影响 气体在进入或排出气缸前后要经过过滤器、气体阀、冷却器等一系列阻力元件，从而使得进排器过程线分别低于和高于名义进排器压力，其中气阀中得压力损失最 大。3、气体脉动得影响 活塞式压缩机的进排气是周期性进行的，故导致进气、排气接管及进排气腔中的气体压力也呈周期性变化，称为气流脉动，当进排气阀门打开时，气腔与气缸工 作容积相通，气流脉动就会传至气缸中，进排气线就会呈现波浪状。4、气体泄露的影响 由于进排气阀不严密及活塞环、填料函性能不佳等都会引起气缸内气体向外泄露或相邻高压级向低压级泄露。泄露分为：a.外泄露：气缸内到气缸外或第一级吸气管道中，会影响排气量；b. 内泄露：高压区到低压区或内高压级向低压级的泄露，不会影响 排气量，泄露会影响压缩或膨胀过程指数，但影响电动机的效率。5、热交换的影响a. 吸气过程：气体被加热；b. 排气过程：气体放热；c. 膨胀过程：先放热膨胀，后吸热膨胀；d. 压缩过程：先吸热压缩，后放热压缩； 由于热交换的存在使得压缩和膨胀过程指数不再是常数。第四节 多变压缩多变压缩使将气体的压缩分别在若干级中进行，并在每级压缩之后导入中间冷却器 进行冷却。一、多级压缩的理由1、提高压缩机的经济性 气体实现等温压缩最省功，但实际过程中基本趋于绝热压缩，采用多级压缩且在级 间进行冷却就能使压缩过程等于等温过程；节省压缩气体的功，使进入下一级气体 温度被冷却到第一级气体的进口温度。称为回冷完善，回冷完善则省功。2、降低排气温度n-1T = T ndST 为进气温度；S为名义压力比；压缩机级的排气温度是随排气压力的增加的增加而增高的，但从安全角度讲是 不允许的，一防止润滑油性能变坏，积炭及易燃易爆气体的燃烧，爆炸等。润滑油闪点：240250C，密封（四氟乙烯）：耐温180C，超过发生塑性变 形。3、提高容积系数 由于余隙容积中高压气体膨胀是吸进的空气减少，气缸的利用率减少，容积系 数即表示气缸容积的利用率。丄九二i-a（m -1）vVa相对余隙容积，a=矿；hm 多变膨胀指数； 容积系数随压力比的提高而降低。4、降低活塞上的气体力 作用在活塞上的气体力减少，也就是减少作作用在运动机构上的作用力，使运 动机构受力均匀，使得整个运动机构重量减轻。第三章 压缩机的主要热力性能参数第一节 排气量1 、压缩机的排气量 单位时间内，压缩机最后一级排出的气体量换算成第一级的进口状态的压力和温度时的容积值m3/min。计算排气量时要将中途分离掉的水分及净化洗掉的气体（或添加的气体）换算为进口 状态的容积而计入排气量。PTzQ = Q 9 jd 1 + Q + Qd P T z 申 c1 d d其中：Q 末级测的的气体容积值；dP ,T Q 所对应的气体压力，温度；d ddP1,T1 第一级进口状态下气体压力温度；Z , Z 相对应于 P , T 和 P ,T 时的气体压缩因子；1 d11 d dQ单位时间内分离的水分换算到第一级进口状态时的容积， m3 /minQ中途清除掉的气体换算到第一级进口状态的容积 m3/min ，若如中途加进的c气体则应折算后以负值代入；第二节 排气压力一、定义： 压缩机的排气压力是指最终排出压缩机的气体压力，一般在最终储气筒处测量，多级压 缩末级以前各级的排气压力称为级间压力。二、影响因素容积式压缩机排气压力的高低并不取决于压缩机本身而是由压缩机排气系统内的气体压力，即背压决定的，排气系统内的气体压力又取决于压缩机对排气系统输入的气体量与从排气系统向用户输出的气体量之间的平衡关系。 进 排：背压逐渐高； 进 排：背压逐渐降低； 进=排 ：压力不变。第三节 排气温度1、 排气温度指每一级排出气体的温度，由于节流和热传导，排气温度要比压缩终了温度低； 2、排气温度的限制：气缸有油润滑压缩机，温度过高会使润滑油粘性降低，性能恶化，润 滑油中轻质组分容易挥发，其一方面导致气体中含油量增加，另一方面，形成积炭，积 炭能使排气阀座和升程限制器的通道以及排气管道阻塞，通道阻力增大，积炭能使活塞 环卡孔在环槽中，失去密封作用，积炭燃烧，能造成爆炸事故。纯四氟乙烯： 180C冷流，强度差240 C润滑油闪点250C 润滑油燃点活塞：氧压机活塞一般用铜、铝、不锈钢等材料（有色金属）。第四节 压缩机的功率和效率 一、功率 （一）压缩机的理论功率1 、 等温功率理想气体，各级回冷完善；NCS二丄 P Q In s (W)60 S 0其中： PS第一级进气压力 Q0 为排气量s 压缩机总压力比2、 绝热功率理想气体：1 k kN 二“工MRT 77 - 1(W)qd60 i j k 1 j k 1其中： M ： 级的质量排气量；iT ： 级的进气温度； je :级的名义压力比;jk :绝热指数；二）压缩机的实际功率1、指示功率 N :为多级指示功率之和；i其中: n; 压缩机的转速 r/min；W 级的指示功 J； i2、缩机的轴功率N 2驱动机传给压缩机主轴的功率被称为轴功率，它等于以下三部分所需功之和:a. 直接用于压缩气体的功率一一压缩机的指示功率N ；ib. 克服压缩机运动不见摩擦部分所消耗的摩擦功率N ；mc. 驱动附属机构所需的功率N ,这些驱动附属机构通常使指润滑油泵和注油机;a此外,若风冷压缩机还有风扇,他们常常直接在压缩机主轴上。轴功率：N = N + N + N （W）zi m a三）驱动机输出功率和储备功率 在中小型压缩机中,驱动机常通过传动装置（如皮带传动、联轴器等）驱动机输出功率N应等于压缩机轴功率加上传动损失功率N2。 e2N 二 N + Ne 2 c 考虑到压缩机在运转可能超符合,故应使驱动机增加10%20%的储备功率,因此,驱动机名义功率N；eN二（1.10 1.20） N （W）ee、效率1、 等温指示效率压缩机理论循环等温指示功率与实际循环指示功率之比耳 二 N / Ni -isis i反映了，压缩机实际消耗的指示功率与最小功率接近程度。2、 等温效率 压缩机理论循环等温功率与轴功率之比耳二 N / Nisis z用来评价压缩机轴功率消耗的经济型，同时反映了压缩机的指示功率损失与机械摩 擦功率的损失的数值。3、绝热效率 理论循环绝热效率与轴功率之比耳二 N / Nad ad z由于实际压缩过程均趋近于绝热过程，故能较好的反映相同级数时，气阀等阻力元件压 力损失的影响及泄露的影响。4、机械效率耳二 N / Nmi z实际循环的指示功率于轴功率之比衡量压缩机内部机械传递过程的经济性。5、传动功率 轴功率于驱动机输出功率之比。耳二 N / Nd z e衡量从驱动机到压缩机的传动损失。